大比尺波浪水槽：防波堤新型消浪护面研发技术及应用

大比尺波浪水槽作为国际领先的水运工程基础理论研究设施，是适应水运交通现代化要求、配置先进、功能齐全、资源共享的水运工程科技创新平台，是技术创新、重大技术突破、高层次人才培养和国际交流的基地，其应用主要包括如下几方面：

图2-48　米字型块体的制作

图2-49　米字型块体在消波段安放情况

（1）突破比尺效应，进行基础理论研究，为数学模型、理论分析提供依据。比尺效应产生于利用不同的相似准则模拟原型的过程。例如，由重力因素控制的波浪运动，在海岸工程中的比尺模型通常选择弗劳德相似准则，而其他作用力（包括摩擦力、弹力、表面张力等）所满足的相似准则不能兼顾，因此这些作用力的影响在模型中往往被忽略，这种模型与原型的差异即为比尺效应。图2-50给出了波浪与结构物作用时各部分所需满足的相似准则及比尺对不同相似准则的影响。由图可知，随着比尺的增大，在重力相似的条件下，摩擦力、弹力和表面张力的比尺都逐渐增大，利用大比尺波浪水槽可以将模型的比尺控制在1∶1～1∶5的范围内，这样在重力相似的条件下，摩擦力、弹力和表面张力的比尺的最大值分别为1∶11.2、1∶5、1∶25。控制模型比尺可最大限度地消除比尺效应的影响，从而得到更为真实的试验数据和试验现象，这些都可以为数学模型及理论分析提供依据。

图2-50　比尺对不同相似准则的影响

（2）进行结构破坏性研究，为防波堤的破坏评估提供依据。近年来频现的恶劣天气产生的极端波浪对海岸工程造成了极大的威胁，如2011年台风“米雷”对我国烟台西港区部分护岸的破坏和台风“梅花”对大连福佳大化防潮堤的破坏，如图2-51所示。借助大比尺波浪水槽，可在实验室对结构进行破坏性试验，检验块体、沉箱、胸墙等结构的稳定性，进一步根据不同结构的破坏形式分析破坏机理，从而为防波堤的破坏评估提供依据。

图2-51　台风对海岸结构的破坏

（3）进行海堤的越浪研究，为安全防护和防灾减灾提供依据。在海洋波浪场中，防波堤不但受到波浪的冲击，在大浪作用下还会出现严重的越浪，越浪往往造成巨大的经济损失，因此，防波堤的越浪量不但是防波堤结构和断面设计的关键因素之一，也是衡量防波堤防浪效果及评价堤后安全的重要参数。国外学者多采用大比尺波浪水槽进行接近原型的试验，以检验越浪对防波堤结构及对人体的冲击作用。借助天科院大比尺波浪水槽进行海堤的越浪研究，确定不同的越浪标准，从而为港口码头及沿岸设施的安全防护和防灾减灾提供依据。

（4）进行泥沙问题研究，探讨运动机理，寻求减淤方法。泥沙问题是海岸工程研究领域中较为复杂的问题之一，图2-52是在大比尺波浪水槽中进行的部分泥沙问题试验。泥沙问题试验中，除重力相似条件外，摩擦力相似、黏性力相似也会对泥沙的起动、输移、沉降产生影响，这些影响在小比尺的模型试验中会产生较为明显的比尺效应，例如在动床冲淤验证试验中，水流结构及泥沙运动都不是严格相似的。另外，输沙量比尺及河床变形时间比尺等目前尚无法正确计算，都要依靠验证试验来解决。借助大比尺波浪水槽，可以模拟接近原型的泥沙问题，从而有助于探讨运动机理，寻求减淤方法。

图2-52　大比尺波浪水槽中进行的泥沙问题试验

（5）进行波浪与地基基础相互作用研究，探索地基失效引起的建筑物破坏机理及其改善措施。恶劣水文条件下，波浪对结构物的作用远超过正常天气条件，尤其在软土地基情况下，更容易发生结构与地基失稳。波浪作用下结构与地基特别是软土地基失稳机理的研究作为港口海岸工程学科的前沿课题，一直是各国学者和工程技术人员研究的热点和难点。利用大比尺波浪水槽铺砂段进行波浪与地基基础相互作用试验，是大比尺波浪水槽的主要功能之一。

大比尺波浪水槽自建成以来，本着“开发共享、合作共赢”的理念，与清华大学、天津大学、河海大学、海军工程设计研究局、国家海洋局南海分局、中科院广东能源所等建立了良好的合作关系，开展了涉及远海珊瑚礁建设、波浪-结构物-地基耦合、浮体运动响应机理等13项试验工作，取得了丰硕的研究成果，具体试验工作见表2-20。

表2-20　大比尺波浪水槽内完成项目情况

大比尺波浪水槽的研究成果产生了重要的科学和社会效益：基于大比尺波浪水槽的波流边界层发育机制实验研究成功测量到了波流边界层的发育机制，对预测港珠澳大桥沉管基槽的泥沙淤积具有重要的价值；恶劣水文条件下港口水工结构的破坏机理和设计参数优化研究成功复演了长江口半圆形防波堤的破坏过程，揭示了波浪-结构-地基的非线性耦合机理；护岸稳定性与越浪量试验研究、岛缘陡变地形与极浅水波浪冲击作用机理研究等项目的科研成果有力地支撑了我国岛礁工程的设计与建设，对我国海洋强国战略的实施具有重要的意义。

大比尺波浪水槽消波段安放的米字型块体为每次试验的成功发挥了重要的作用，从而保证了试验的精度和准确性。

1）开展浮式防波堤试验研究

大比尺波浪水槽内开展浮式防波堤的试验研究，研究成果为莲花岛旅游综合项目的新型防浪结构（直立式透空堤或浮式防波堤）的设计提供了直接的参考依据。莲花岛旅游综合项目位于秦皇岛市海港区大汤河口南侧的近海海域，距离现有海岸线约1 000 m。项目定位为世界级旅游度假岛，项目填海区滩面高程为-4～-7 m，拟采用人工岛式围填海，围海面积约87.18×104m2，填海面积约48.08×104m2，透水构筑物面积约56.86×104m2（含跨海大桥），围填海面积合计约214.08×104m2（含防波堤），陆上总建筑面积为149.6×104m2；游艇泊位648个。

根据大比尺波浪水槽结构尺寸，模型几何比尺设计为1∶1，浮式防波堤试验情况如图2-53所示。

图2-53　浮式防波堤试验情况

2）开展极浅水波浪冲击作用机理研究

近年来，随着海洋强国战略的推进，我国在远海珊瑚礁周围进行的工程活动日益增多，建设了诸如港口、机场、码头、灯塔、通信、气象等相关基础设施。与近岸的缓坡地形不同，珊瑚礁往往自深水中凸出，与周边深海形成明显水深差，距离珊瑚礁几百米，水深能够增大到数百米甚至上千米，波浪在这种陡变地形上的非线性作用十分强烈，岛礁防浪建筑物不可避免地会受到强烈的冲击，胸墙波浪力直接影响着防浪建筑物本身的结构安全。由于水槽尺度和模型比尺的限制，常规的小水槽往往只能模拟20～30 m的礁前水深，波浪从上百米的深水区传播至礁盘几米的浅水区过程很难复演，因此，需要开展大比尺波浪水槽试验以能够模拟波浪从100 m水深传播至礁盘极浅水的复杂过程，并给出不规则波在建有防浪堤的珊瑚礁陡变地形上的传播变形、波谱变化、波浪增水及胸墙波浪力经验公式，从而探讨波高和周期等参数对礁坪上波浪水动力特性的影响。

试验模拟的整个岛礁在水槽内高度为5 m。在波浪作用下，波浪爬高进入岛礁后作用情况分别如图2-54和图2-55所示。

图2-54　岛礁模型布置图

图2-55　波浪在礁盘上的破碎传播过程

3）开展波流边界层发育机制研究

波流边界层的物理机制是整个海洋水动力学和泥沙运动力学的重要理论基石，对其开展深入研究具有极为重大的科学意义和实用价值。边界层分为层流边界层、紊流边界层两大类，紊流边界层又可分为光滑区、过渡区和粗糙区等，物理机制极为复杂，至今尚未形成统一认知。以往研究多采用小型波流水槽和振荡水槽两种方式，然而这两种方式都存在明显的优缺点，小型波流水槽可以制造出真实的波浪形态，但无法达到现场尺度，一般只能触及层流区，至多到紊流的过渡区；振荡水槽可触及紊流粗糙区，其方法是通过在封闭槽中开展往复振荡，“人为”构造水质点的往复剪切运动，并用它来近似代表波浪的振荡，但其与海洋中的真实波浪形态不一致，限制了理论的拓展。采用大比尺波浪水槽开展试验，同时兼顾了两种手段的优势，既可以达到紊流粗糙区，又可使波浪环境与现场完全一致，突破了以往研究手段的瓶颈。(www.xing528.com)

通过在水槽内构造长30 m、高度3 m的斜坡，使其水下坡度达到1∶10，斜坡上方通过混凝土铺面结合抹面形成固定床面，斜坡地形找平精度控制在±1 mm，水槽内模型制作情况如图2-56所示。

图2-56　波流边界层模型制作情况

4）开展网箱养殖试验研究

随着港湾可养海域逐渐萎缩，海区污染日趋严重，养殖病害日益频繁，网箱养殖业从湾内向湾外发展已是必然趋势。我国虽然从20世纪末开始开展深水抗风浪网箱养殖试验研究，但目前实际生产使用的网箱限于抗风浪能力、耐海流变形性能、管理操作方便性、成本投资等因素，不能很好地满足我国实际生产需要，限制了我国湾外网箱养殖的发展。因此，结合我国海域特征及养殖特点，开发具有良好的耐风浪流性能、投资相对较少、养殖管理操作方便的新型网箱对拓展湾外养殖海域、保持海水网箱养殖可持续发展具有十分重要的意义。

项目组认真总结和分析了十几年来我国开展抗风浪网箱的试验研究成果及养殖生产的经验教训，根据HDPE框架浮式网箱、浮绳式网箱和传统渔排等网箱系统的各自优点，设计了基于柔性受力系统的组合式抗风浪流养殖网箱系统。

为了评价基于柔性受力系统的组合式抗风浪流养殖网箱系统的耐风浪流性能，并掌握其在福建省典型海区环境条件下的水动力性能和运动特点，项目组于2016年9—10月在天科院大比尺波浪水槽开展模型试验研究。

按照网箱尺寸和水槽试验条件，设计网箱系统模型的主比尺为λ=10，网衣小比尺为λ′=3，模型设计如图2-57所示。

图2-57　模型网箱固定在试验水槽底面情况

5）开展围油栏性能测试技术试验研究

围油栏和吸油材料是溢油应急处置的两个基本要素。围油栏可有效地围控溢油，吸油材料可以快速吸附溢油，减少对海洋环境的影响。我国交通运输部在借鉴美国围油栏标准后，于2001年出台了《围油栏》（JT／T 465—2001）设计标准。由于缺乏大比尺波浪水槽物理模型试验，我国的围油栏设计标准中一直没有对围油栏的抗风抗浪性、随波性、拦油能力等指标提出具体的测试方法，使我国的围油栏设计滞后。相反，美国围油栏的设计标准不断更新，在2012年的新标准中对围油栏的抗风抗浪性、随波性、拦油能力等提出了明确要求及测试方法。

因此，通过引进美国先进的围油栏设计技术，利用大比尺波浪水槽物理模型试验对围油栏的综合性能指标进行测试，有助于提升我国围油栏开发设计的水平。

水槽内模拟围油栏正在处理油污的过程如图2-58所示。

图2-58　大水槽围油栏拖曳处理油污过程

6）开展恶劣水文条件下港口水工结构的破坏机理试验研究

波浪作用下结构与地基失稳机理研究，是目前世界上的一个研究难点，对于港口的安全来说非常重要。我国经济发达的渤海湾、长江三角洲和珠江三角洲沿海广泛分布软黏土地基，给港口水工建筑物的结构安全带来很大的潜在威胁，为此由交通运输部组织开展了“恶劣水文条件下港口水工结构的破坏机理和设计参数优化研究”。通过研究进一步认识波浪-结构-地基（特别是软黏土地基）相互作用机理，形成波浪-结构-地基物理和数值模拟技术、软黏土软化机理和判别标准，提出对软黏土上直立式混合防波堤设计新方法的建议，并进一步提升为规范或指南。

研究成果可为《防波堤设计与施工规范》的有关条文修订提供参考依据和补充，因此，本研究对发展我国软黏土基床重力式结构的建设起到很大的推动作用，并将带来显著的经济效益，具有明显的示范意义。

根据研究内容及试验水槽尺寸，设计模型比尺为1∶5。

在波浪作用下，半圆形防波堤在软基上的变化情况如图2-59所示。

7）开展海上可移动平台水动力及锚泊系统抗台风试验研究

对网箱式波浪能发电装置及锚泊系统进行水槽物理模型试验，通过试验希望达到：

（1）测量得到宽体和细长体这两种浮式装置在各种环境条件下的六自由度运动。

（2）验证系泊缆的刚度、各种环境条件下的张力。

（3）测量装置表面各关键点压强。

（4）耦合系统的风标性以及系泊缆是否与电缆发生缠绕。

图2-59　波浪作用时软土地基上半圆形防波堤现象

为了完成试验，项目组于2017年7—10月在大比尺波浪水槽内开展了相关专题模型试验研究。同时根据水槽的尺寸和不同的发能装置设计不同试验比尺，其中“万山号”波浪能发电装置的比尺为1∶15，深水“万山号”的比尺为1∶30。

在波浪作用下，发能装置产生六个自由度测量，如图2-60所示。

图2-60　波浪作用时发能装置自由度测量